Dzieje ewolucji: Bicellum i narodziny zwierząt

Zapewne wielu z was słyszało o ostatnim głośnym odkryciu w paleontologii, czyli o pierwszym około-zwierzęcym wielokomórkowcu Bicellum brasieri.
Jest to organizm wielokomórkowy blisko spokrewniony ze zwierzętami, liczący 1 miliard lat, co czyni go najwcześniejszym znanym wielokomórkowcem ze spokrewnionej z nami linii ewolucyjnej, starszym o ok. 400 mln lat względem fauny ediakarańskiej. Dodatkowo nie pochodzi on ze środowiska morskiego, lecz ze słodkowodnego jeziora, co według badaczy sugeruje, że ewolucja prowadząca do zwierząt mogła w jakimś stopniu rozgrywać się w takim właśnie środowisku. Jest to odkrycie unaoczniające nam proces ewolucji zmierzający ku narodzinom zwierząt.

Jak powszechnie wiadomo, najstarsze zwierzęta pochodzą z okresu zwanego ediakarem, skąd powstało ich określenie jako fauny ediakarańskiej. Miało to miejsce ok. 610 mln lat temu, co oznacza, że pierwsze znane zwierzęta są o ponad jedną trzecią czasu młodsze od odkrytych właśnie wielokomórkowców. Istnieją co prawda skamieniałości sugerujące istnienie już wcześniej niektórych przedstawicieli zwierząt, jednak nie są one bezdyskusyjne. Najstarsza gąbka (i jednocześnie najstarsza skamielina zwierzęcia), Otavia antiqua, została znaleziona w skałach z okresu tonu (okres poprzedzający „Ziemię śnieżkę” w neoproterozoiku, ok. 800 mln lat temu). Nie wszyscy jednak naukowcy są przekonani co do klasyfikacji znaleziska.

Tak wyglądała Otavia antiqua według jednej z interpretacji.

Organizm nazwany Bicellum brasieri dokumentuje przejście od form jednokomórkowych do organizacji wielokomórkowej, gdyż jest on bardzo prostym tego typu organizmem. Posiada tylko (aż) dwa rodzaje komórek, pełniących odrębne funkcje. Kulisty kształt organizmu kryje wewnątrz sferyczne komórki zgromadzone razem, które obtoczone są zewnętrznymi komórkami o bardziej wydłużonym kształcie, pełniącymi prawdopodobnie funkcję ochronną. Znalezisko jest też o tyle ciekawe, że dokumentuje organizmy w różnym stadium rozwoju osobniczego. Stąd możemy dostrzec, że w trakcie rozwoju komórki zewnętrzne najpierw powstają wewnątrz organizmu, a dopiero potem przemieszczają się ku zewnętrzu.

Bicellum, co można przetłumaczyć jako „dwukomórkowiec”, został sklasyfikowany jako należący do kladu Holozoa. I to jest w tym odkryciu bardzo istotne.

Holozoa jest to klad obejmujący wszystkie zwierzęta oraz ich jednokomórkowych bliskich, wyłączając grzyby. Najłatwiej to wyjaśnić przedstawiając je w kontekście obszerniejszego kladu, jakim jest Opisthokonta. Opisthokonta rozdziela się na dwie linie – właśnie Holozoa, które obejmuje zwierzęta oraz jednokomórkowe organizmy z nimi spokrewnione, natomiast druga linia, Holomycota, prowadzi do grzybów oraz organizmów blisko spokrewnionych z nimi. Przypomnę, że wbrew dawniejszym przypuszczeniom grzyby są bliżej spokrewnione ze zwierzętami (a więc i ludźmi) niż rośliny. Jesteśmy więc genetycznie bardziej muchomorem niż marchewką.

Czym są Holozoa? Tym wszystkim, co nie stało się grzybami. Większy klad Opisthokonta dzieli się na linię prowadzącą do grzybów (Fungi) i ich krewnych, czyli Holomycota, oraz na odrębną linię Holozoa, w której zawierają się mikroorganizmy spokrewnione blisko ze zwierzętami oraz wszystkie zwierzęta, łącznie z ludźmi. Na rysunku wymienione są też inne klady wspomniane niżej w artykule. Ichthyosporea, będące głównie pasożytami, Filasterea, których organizmy z kolei mogą pomóc w rozszyfrowaniu genetyki jednokomórkowego przodka zwierząt, oraz Syssomonas. (Rysunek skradziony Wikipedii.)

Nauce znane są starsze organizmy wielokomórkowe, jednak nie mają one powinowactwa ze zwierzętami. Ourasphaira giraldae to grzyb, który żył przed miliardem lat, na przełomie okresów mezoproterozoiku i neoproterozoiku. Na długo przed roślinami zasiedlił lądy. Ponownie wbrew dawnym opiniom wiemy dzisiaj, że lądy nie powinny być zasiedlone w pierwszej kolejności przez rośliny, ponieważ do wzrostu roślin potrzebne są gleby, te zaś powstały w wyniku procesów biologicznych. Ten grunt, w przenośni i dosłownie, uszykowały roślinom grzyby oraz mikroorganizmy.
Z kolei Bangiomorpha pubescens jest pierwszym znanym organizmem rozmnażającym się płciowo, wydobytym z pokładów skalnych liczących 1 mld 47 mln lat. Rozmnażanie płciowe miało niedającą się przecenić wagę dla tworzenia zmienności genetycznej w ewolucji.

Istnieją też starsze organizmy, które postuluje się jako jeszcze wcześniejsze wielokomórkowce, jednak ich status jako wielokomórkowców nie jest ostatecznie rozstrzygnięty. Mogły to bowiem być kolonijne organizmy jednokomórkowe. Takimi organizmami są Grypania spiralis oraz bardzo intrygujące gabonionta, które pochodzą aż sprzed 2,1 mld lat. Jeśli te ostatnie rzeczywiście były wielokomórkowcami, a nie koloniami komórek, to miały spore indywidualne rozmiary, dochodzące do 17 cm wielkości. Niedługo poświęcę im osobny artykuł.

W oryginalnej pracy została przedstawiona analiza wykluczająca Bicellum z innych przynależności taksonomicznych. Brak sztywnych ścian komórkowych czyni mało prawdopodobnym powinowactwo Bicellum z różnorakimi typami glonów (pod terminem „glony” kryją się bardzo różne niespokrewnione organizmy z licznych linii ewolucyjnych), za to morfologicznie organizm jest bardziej zgodny z pochodzeniem holozoańskim. Obecnie wiadomo ponadto, że jednokomórkowe holozoany tworzą wielokomórkowe stadia w ramach złożonych cykli życiowych, zatem występowanie takich prostych poziomów przejściowej wielokomórkowości, jak przedstawione powyżej w przypadku Bicellum, jest zgodne z powinowactwem holozoańskim.

Bicellum brasieri wydaje się być najściślej powiązany z wczesnymi rozgałęzieniami grup holozoańskich, zwłaszcza Ichthyosporea i Pluriformeaktóre, które są jednokomórkowymi protistami z wielokomórkowym etapem cyklu życiowego, zwykle występującym w postaci kulistej masy komórkowej. Dokładnie tak samo rzecz wygląda w przypadku obecnego organizmu.

„Podrasowane” przedstawienie Bicellum brasieri.

Odkrycie Bicellum dokumentuje zatem przejście ewolucji między życiem jednokomórkowym a wielokomórkowym. Profesor Charles Wellman, jeden z głównych badaczy z Wydziału Nauk o Zwierzętach i Roślinach Uniwersytetu w Sheffield, powiedział o odkryciu entuzjastycznie: „Początki złożonej wielokomórkowości oraz pochodzenie zwierząt uważane są za dwa najważniejsze wydarzenia w historii życia na Ziemi. Nasze odkrycie rzuca nowe światło na oba z nich. Znaleźliśmy prymitywny organizm kulisty składający się z układu dwóch różnych typów komórek, pierwszy krok w kierunku złożonej struktury wielokomórkowej, czegoś, czego nigdy wcześniej nie opisano w zapisie kopalnym. Odkrycie tej nowej skamieliny sugeruje nam, że ewolucja zwierząt wielokomórkowych miała miejsce co najmniej miliard lat temu i że wczesne wydarzenia poprzedzające ewolucję zwierząt mogły mieć miejsce raczej w słodkowodnych jeziorach niż w oceanie”.

Jednak tak naprawdę odkrycie to wnosi raczej więcej wiedzy do tego, co znaliśmy lub podejrzewaliśmy już wcześniej, niżby miało dawać rewolucyjne spojrzenie na wczesną historię Holozoa, do których należymy także my wraz ze zwierzętami. Po prostu rzuca więcej światła na wcześniejsze badania, a Bicellum jest bardziej brakującym ogniwem w zapisie kopalnym niż paleontologicznym wywrotowcem. Dokumentuje także ważną zmienną w ewolucji, że wczesne różnicowanie Holozoa, w tym na zwierzęta, mogło mieć coś wspólnego również ze środowiskami słodkowodnymi, a nie jedynie morskimi.

W oryginalnej pracy czytamy, że do tej pory występowanie holozoanów w prekambrze mieliśmy udokumentowane w złożach mających ok. 600 mln lat, jednak te były całkowicie pochodzenia morskiego. Jednak współcześnie wcześnie rozgałęzione klady holozoańskie nie są wyłącznie morskie. Filotypy Ichthyosporea znajdują się dziś zarówno w wodach słodkich i lądowych, a niedawno opisany Pigoraptor (z kladu Filasterea) został wyizolowany z obszarów innych niż morskie, podobnie jak Syssomonas z kladu Pluriformea. Inne gatunki Ichthyosporea i Filasterea, w tym gatunki uważane wcześniej za wyłącznie morskie, zostały również wykryte w wodach słodkowodnych.

Wszystko to są jednak współczesne gatunki. Jeśli chodzi o ich dawnych przedstawicieli, naukowcy nie wykluczali odlezienia kopalnych holozoanów sprzez 1 mld lat, jak to się stało w najnowszym odkryciu, ponieważ według danych z zegara molekularnego rozgałęzienie między Ichthyosporea i Filasterea (zob. rysunek) a resztą linii Holozoa szacowano na około 1 mld 100 mln lat. Niektórzy badacze już wcześniej sugerowali, że podstawą zwierzęcego drzewa filogenetycznego jest okres ton, poprzedzający globalne zlodowacenie nazywane „Ziemią śnieżką” i następującą po nim faunę ediakarańską, i że mogło to nastąpić nawet już miliard lat temu. Z okresu tonu znaleziono ślady i norki sugerujące istnienie organizmów wielkości dżdżownicy. Interpretacja tych odkryć nie jest jednak pewna, ponieważ wykazano, że podobne ślady pozostawia także wielki jednokomórkowiec Gromia sphaerica. Inną wskazówką mogącą sugerować istnienie drobnych zwierząt w tamtym okresie jest fakt, że w okresie tym zaczęła zmniejszać się różnorodność stromatolitów (makroskopowej wielkości mat mikroorganizmów), co niektórzy badacze interpretują jako możliwość żerowania pierwszych zwierząt.

Bicellum pokazuje, że różnicowanie i morfogeneza w cyklach życiowych protistów słodkowodnych rzeczywiście zachodziły już miliard lat temu. Ten wczesny przykład złożonej wielokomórkowości uzupełnia powstający materiał dowodowy wskazujący, że selekcja w późnym okresie mezoproterozoicznym i wczesnego neoproterozoiku występowała także w warunkach lądowych.

Jeśli Bicellum rzeczywiście należy do kladu Holozoa, stanowiłoby to wsparcie dla najnowszych modeli proponujących aż mezoproterozoiczne (przed 1 mld lat) pochodzenie grup koronnych eukariontów. Może też okazać się kluczową skamieliną w toczącej się debacie na temat znaczenia tlenu w powstawaniu i rozwoju zwierząt. Bicellum odkrywa także przed nami większe znaczenie słodkowodnych zbiorników w historii ewolucyjnej życia.

Odkrycie Bicellum brasieri unaocznia także genetyczny proces tworzenia się zwierząt. Profesor Paul Strother, główny badacz z Boston College, powiedział: „Biolodzy spekulowali, że pochodzenie zwierząt obejmuje włączenie i zmianę przeznaczenia wcześniejszych genów, które wyewoluowały w organizmach jednokomórkowych. To, co widzimy w Bicellum, jest przykładem takiego systemu genetycznego, obejmującego adhezję komórkową [proces łączenia się komórek] i różnicowanie komórek, który mógł zostać włączony do genomu zwierzęcia pół miliarda lat później”.

Odkrycie Bicellum rozjaśnia nieco mroki ewolucyjne okresu przed pojawieniem się złożonego życia w ediakarze i odsłania nam pierwsze etapy naszego własnego pochodzenia. Granica, która dawniej została wyznaczona jako eksplozja kambryjska, po raz kolejny, tak jak to było przy odkryciu fauny ediakarańskiej, zostaje rozmyta gdzieś w jeszcze wcześniejszym okresie, a czas określony mianem „nudnego miliarda lat” (okres obejmujący miliard lat przed pojawieniem się złożonych zwierząt), wcale nie był taki nudny, kiedy przyglądamy się mu bliżej.

To jeszcze zapewne nie koniec odkryć. Zespół ma nadzieję zbadać teraz złoża torridońskie, w których znaleziono Bicellum, pod kątem co ciekawszych skamieniałości, które mogłyby zapewnić lepszy wgląd w ewolucję organizmów wielokomórkowych.

Literatura

Praca oryginalna
https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(21)00424-3

S. Parker, Historia ewolucji. (Książka)

Inne
https://www.sheffield.ac.uk/news/billion-year-old-fossil-reveals-missing-link-evolution-animals
https://en.wikipedia.org/wiki/Holozoa
https://en.wikipedia.org/wiki/Boring_Billion
https://dzienniknaukowy.pl/planeta/-skamielina-sprzed-miliarda-lat-jednego-z-najwczesniejszych-organizmow-wielokomorkowych
https://en.wikipedia.org/wiki/Opisthokont
https://pl.wikipedia.org/wiki/Opisthokonta
https://en.wikipedia.org/wiki/Otavia_antiqua
https://en.wikipedia.org/wiki/Ourasphaira_giraldae
https://en.wikipedia.org/wiki/Grypania
https://pl.wikipedia.org/wiki/Grypania_spiralis
https://en.wikipedia.org/wiki/Francevillian_biota
https://pl.wikipedia.org/wiki/Gabonionta
https://en.wikipedia.org/wiki/Tonian
https://pl.wikipedia.org/wiki/Ton_(geologia)

Naukowe
The oldest animal fossils:
https://archive.sajs.co.za/index.php/SAJS/article/view/1064/1019
Early fungi from the Proterozoic era in Arctic Canada:
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1217-0
Megascopic eukaryotic algae from the 2.1-billion-year-old negaunee iron-formation:
https://science.sciencemag.org/content/257/5067/232
The 2.1 Ga Old Francevillian Biota: Biogenicity, Taphonomy and Biodiversity:
https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0099438

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Wyloguj /  Zmień )

Zdjęcie na Google

Komentujesz korzystając z konta Google. Wyloguj /  Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Wyloguj /  Zmień )

Zdjęcie na Facebooku

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Wyloguj /  Zmień )

Połączenie z %s